Villanyszerelők Lapja

Áttekintő táblázat alapján

A Reich-fogó „felspécizett” utódai

Lakatfogó multiméterek és különleges mérőképességek

2018. március 20. | Németh Gábor okl. villamosmérnök |  2476 | |

A Reich-fogó „felspécizett” utódai

A Műegyetemen végzett, majd a néhai Engel Károly Alkatrészgyárban főmérnökként dolgozó Reich Ernő 1926-ban szabadalmaztatta a világhírt hozó Reich-fogót, mellyel az áramkör megbontása nélkül lehetett váltakozó áramot, váltakozó feszültséget, teljesítménytényezőt, s így közvetve teljesítményt is mérni. Szabadalmát akkor a Siemens és a General Electric is megvette és a készüléket gyártották.

E találmánynak köszönhető, hogy az áramkör megbontása nélküli árammérés ma már egyszerű feladat: lakatfogó multiméterrel vagy lakatfogó adapter és normál multiméter összekapcsolásával könnyen megoldható. A múlt század végén a Hall-hatást (Edwin Hall, 1879) alkalmazó érzékelők megalkotásával és elterjedésével az egyenáram is mérhetővé vált. A lakatfogó multiméterekbe pedig egyre érdekesebb segédfunkciókat építenek be a gyártók.

Balra:  a Reich-fogó egy 1943. évi kiadvány címlapján (forrás: aktikva.hu). Jobbra:  így nézett ki egy Reich-fogó (forrás: Wikipédia).

Reich-fogó elvi rajza (forrás: Wikipédia)

Áram mérése – adott pontossággal, adott méretű vezetőn

Segédfunkció ide vagy oda, az elsődleges szempontok nem változnak, amikor tervezett lakatfogós mérésekhez eszközt kell vásárolni! A három legfontosabb dolog, ami a „mérőképességet” alapvetően meghatározza: a mérendő áram nagysága (vagy épp „kicsisége”!), a kívánt mérési pontosság, és a mérendő áramvezető (kábel, sín) méretei.

Méréshatár és pontosság

A lakatfogó multimétereknél az árammérés felső határa jellemzően 20-40 A-től 2-3 kA-ig terjed. Az alsó határ tekintetében felhívjuk a figyelmet lakatfogók specifikációjának gondos elolvasására! A mágneses anyagok fizikai tulajdonságai miatt egy legkisebb mérhető áramnak is szerepelnie kell, s a megadott érték alatt már csak indikálásról lehet szó! Ha nagyobb áramokra méretezett lakatfogóval kis áramokat is kell mérni, akkor meg kell nézni, hogy a pontossági adatok a méréshatárra, vagy a leolvasott értékre vannak megadva! Egy 400 A-es lakatfogó a méréshatárra vonatkozó 1%-os pontosságával akár 4 A-t is tévedhet, ami elég sok, ha 10 A körül kell mérni! A várható feladat ismeretében törekedni kell a kompromisszumra, illetve minél szélesebb tartományban specifikált és minél több méréshatárban dolgozó műszer beszerzésére. Bele kell törődni abba, hogy ha igazán kicsiny (mA-es, pár A-es) nagyságrendben kell mérni, akkor arra külön eszközt kell vásárolni. Például (AC esetén) szivárgó áram (hibaáram) mérésére kifejlesztett lakatfogós multimétert, melynek mérőképessége mikroamper nagyságrendtől (!) indul, viszont nagyobb, 50-100 A-es áramoknál a pontossága drámaian csökken.

Áramvezető mérete

A leggyakoribb nagyáramú (1000…3000 A) típusoknál az átkarolható kábel, illetve sín mérete általában 60-70 mm. Kis áram és kis keresztmetszetű vezető mérésekor különösen törekedni kell arra, ami egyébként a specifikált mérési pontosság eléréséhez is szükséges: a vezető a lakatfogó karjai által körülölelt terület közepén és annak síkjára merőlegesen haladjon át a mérőnyíláson! A tapasztalat azt mutatja, hogy egyes lakatfogó gyártmányok között jelentős különbség van abból a szempontból, hogy a mérési eredmény mennyire változik a mért vezető pozíciójának változtatására. A jobb és drágább eszközök általában kevésbé érzékenyek erre. A használt lakatfogó viselkedését mindenkinek érdemes ebből a szempontból megvizsgálni!

Régen és ma

Nem szinuszos, kifejezetten torzult jelalakú áramok mérése

Gyakran előforduló alkalmazástechnikai probléma a felharmonikusokkal terhelt, nem szinuszos áramok mérése. A villamos hálózaton sok nemlineáris terhelés van (kapcsolóüzemű tápegységek, számítógépek és informatikai eszközök, fázishasításos elven működő teljesítményszabályozók, egyenirányítók, frekvenciaváltós vezérlések stb.) A nemlinearitásból következően ezek szinuszos feszültség hatására nem szinuszos áramfelvételt produkálnak, így felharmonikus áramok forrásai. A lakatfogós mérések szempontjából a gond az, hogy a régebbi konstrukciójú és az új, de egyszerűbb és olcsóbb technikát használó lakatfogók átlagértéket mérnek, majd azt 1,1-es konstanssal szorozzák, mert a szinuszos jelalak rms- és átlagértéke között ez a viszony. Sajnos a számítás csak szinuszra igaz, más jelalakra nem! Még a – szemre elég hasonló – háromszögjelre sem! A jelalak szinusztól való eltérésének (vagyis torzulásának) függvényében a hiba nagy is lehet, akár 30-40% körüli!

A modern lakatfogók ezért valós négyzetes középértéket (angolul: True Root Mean Square) mérő, „TRMS” mérőáramkörrel rendelkeznek és nem csak a 40-70 Hz körüli jeleket mérik pontosan. A bonyolultabb áramkör – bizonyos mértékig – lépést tud tartani a jelalak torzulásával, dinamikájának növekedésével, így sokkal nagyobb eséllyel mutathatja meg nekünk azt a valódi áramértéket, amely – például – a védelem működésbe lépését okozza, miközben a régebbi, „bejáratott” és egyébként hibátlanul működő lakatfogónk nem mutat túláramot. A hasonló esetek elkerülésére tehát „TRMS” lakatfogó multiméter használata javasolt.

Bár mindenképpen jobb, használhatóbb értékeket mérünk általa, de a TRMS módszernek is vannak korlátai, mégpedig a mérőáramkör bemenő fokozatának dinamikatartománya. Ha a csúcsérték túl nagy, azt az áramkör „levágja”. Azaz eltünteti az amplitúdó egy részét, így a mérési eredményt meghamisítja. Lehet-e ezt a jelenséget számszerűsíteni és kezelni? Lehet! Erre találták ki az ún. „csúcstényezőt” (angolul: Crest Factor; CF), mely szemléletesen szólva a jelben előforduló csúcsérték és a csúcsértékek között mérhető egyéb értékek (matematikusan: a jel rms-érték) aránya. Azaz, valamennyire kifejezi a torzultság mértékét a szinusz jelhez képest, ahol az értéke: 1,41. A TRMS lakatfogókra meg szokták adni, hogy mekkora CF-értékig mérnek helyesen. Általános a 2,5...3,5 körüli érték, de egyes modellek akár 10-ig is specifikálva vannak.
A Crest Factor ismerete feltétlenül szükséges a kisfrekvenciás jelek mérése területén. Vegyünk például egy multimétert, melynek AC-pontossága (ezt mindig szinusz jelre specifikálják) 0,03%, valamint 1,41 (szinusz jel) és 5 közötti Crest Factor-értékekre 0,2% hozzáadódó hiba van megadva. Így egyszerű háromszögjelre (CF=1,732) a pontosság 0,03% + 0,2% = 0,23%-ra módosul (azaz majdnem egy nagyságrendet romlik!). Mivel a CF-érték ennyire fontos lehet, ezért egyes lakatfogók mérik, pontosabban a megmért csúcs- és rms-értékekből kikalkulálják!

Biztonság

A lakatfogó multiméterek (és a lakatfogó adapterek is) kisfeszültségű mérőeszközök, tehát árammérésre csakis a 230/400 V-os hálózati feszültségen lévő vezetők esetén alkalmazzuk őket, akkor is kellő óvatossággal, a biztonsági szabályok betartásával! Örvendetes, hogy már megjelentek CAT IV 1000 V mérési kategóriájú környezetben is használható modellek a piacon. Ezek a helyi KöF betáp szekunder oldalától kezdve a KiF hálózat bármely pontján bevethetők.

Ugyancsak a használat biztonságát és a műszer megóvását szolgálja az ipari védettségi fokozat növelése: már IP 54-es védettségű lakatfogóval is lehet találkozni. Bár konkrétan a „lakatszerkezetre” csak IP 20 érvényes, és az ott egymásnak fekvő fémfelületek tisztaságára (szennyeződés- és rozsdamentességére) folyamatosan ügyelni kell, a pontosság megtartása érdekében!

Feszültség mérése

Ez olyannyira alapmérés, hogy csak igen röviden térünk ki rá. Lakatfogós műszerünk beszerzésekor a maximálisan mérhető feszültség nagyságát is érdemes figyelemmel kísérni. A torz jelalakok mérésével kapcsolatos meggondolások a feszültségmérésre is vonatkoznak, hiszen a felharmonikus áramok a hálózat impedanciáin, a vezetők és a kötések ellenállásán feszültségesést okoznak, így a feszültség is torzul, bár általában jóval kisebb mértékben. A feszültségre is TRMS jelzéssel rendelkező lakatfogók a torzult jelalakot is pontosabban fogják mérni.

Feszültségkémlelő funkció

Egyes lakatfogó multiméterek fémes kontaktus nélkül érzékelik veszélyes feszültségek (> 40-50 V) közelségét! Előzetes ellenőrzés után velük biztonságosabban dolgozhatunk, nem feltétlenül kell másik eszközt elővennünk.

Jelalakvizsgálat

Ha valamilyen elektromos vagy elektronikus készülék, berendezés időnként hibás működést mutat, de belső problémát nem sikerül kimutatni, akkor érdemes a hálózati tápellátását is megvizsgálni. A kisfeszültségű hálózaton lehetnek olyan zavarok, „tüskék” (akár kV-os tartományba eső, rövid idejű, de viszonylag nagy energiájú impulzusok), melyek a szűrőkön átjutva működési problémákat okozhatnak. Ilyen zavart okozhat például nagyobb fogyasztók, induktív jellegű terhelések ki- és bekapcsolása, vagy a villamos elosztóhálózat üzemszerű működésével járó kapcsolások, villámveszélyes helyeken a légköri kisülések.

A hálózati feszültség és áram jelalakja fontos lehet például teljesítmény elektronikai áramkörök vizsgálatánál is. Jelalakokat az elektrotechnikában oszcilloszkóppal szokás mérni. Erősáramú méréseknél azonban életvédelmi és egyéb speciális szempontokat is figyelembe kell venni. Normál oszcilloszkóppal a hálózatra történő közvetlen csatlakozás (például áram vizsgálata esetén sönttel) általában nem lehetséges, vagy veszélyes és költséges adapter kell hozzá. Vagy olyan oszcilloszkóp kell, amely alkalmas legalább CAT III 600 V mérésekre, és egymástól is leválasztott 2 vagy 4 db bemenettel rendelkezik.

Áramjelalak megfigyelésére megoldás lehet, ha olyan (egyébként ritka) lakatfogó multiméter típust keresünk, mely analóg kimenettel is rendelkezik, s az áram jelalakot feszültség jelalakká konvertálva hozzáférhetővé teszi egy külső csatlakozón.
Másik lehetőség, hogy egyes oszcilloszkópok opciói között szerepel viszonylag kisebb áramú, de akár 100 kHz-es sávszélességű lakatfogós mérő adapter, mely szintén segíthet.

Valamint létezik olyan különleges lakatfogó fajta, melynek mátrix kijelzője van, és egyszerű, de jól használható oszcilloszkóp üzemmódja, mellyel elvégezhető az áram- és feszültségjelalakok ellenőrzése és tárolása is.

Indulóáram-mérés

Van egy speciális, jellemzően (de nem csak) AC motorok indításakor előforduló, viszonylag rövid lefolyású jelenség, mely a motor üzemi áramánál jóval nagyobb pozitív és negatív áramcsúcsok egymásutánjából áll. Érdekes lehet a jelenség lefolyása, az áramcsúcsok nagysága, a csillapodás mértéke és időtartama. Ezektől függ ugyanis az, hogy a motor védelme működésbe lép, vagy sem. A nagy amplitúdójú áram, bár egy rövidebb időre, de igénybe veszi a hálózat elemeit is. Így az indításkor, gyakorlatilag, üzemzavar keletkezhet.

Egyes lakatfogó multiméterek rendkívül kifinomult technikával 1570 Hz tartományban meg tudják mérni a leírt jelentős áramcsúcsokat. A mérés a periódusidő 1-, 2,5-, 5- és 10-szeresére vonatkozóan történik, azaz a műszer az első (és gyakran legnagyobb amplitúdóval bíró) félperiódus rms-értékét (!) is meghatározza. Jól észrevehető tehát az esetleges rövid idejű túláramfelvétel is.

Impulzus jellegű csúcsértékek keresése

Rövid idejű, 1 ms körüli impulzusok, „áramtüskék” időnként tapasztalhatóak a hálózati jelen, pl. kapcsolóüzemű tápegységek hálózati áramkörében. Egy korszerű lakatfogós multiméter akár ezeket is meg tudja nekünk „fogni„, s képes külön a pozitív és negatív áramcsúcs amplitúdót (a méréshatár függvényében) kijelezni.
E funkció hibakeresési, hálózatminőség ellenőrzési teszt lehet a gyakorlatban. Segíthet a Crest Factor meghatározásában is.

Minimum- és maximumérték-tárolás

Készülékek, berendezések, világítások működésében nemcsak a rövid idejű, hanem a hosszabb (néhány periódusidőtől másodpercekig tartó) feszültség-, illetve áramváltozások is gondot okozhatnak. Némelyik lakatfogó képes arra, hogy ha (például) 500 ms-nál hosszabban eltér a mért érték a korábbi maximumtól vagy minimumtól, akkor az új minimum-, illetve maximumérték rögzítésre kerül, és a mérés végén leolvasható. Praktikus funkció, ha készülékek működésében problémákat okozó (vagy épp belső hibát jelző) jelszintváltozásokat keresünk.

Adatgyűjtés

Időszakos vagy teljesen véletlenszerűen jelentkező hibák nagyon meg tudják keseríteni a javítással kísérletező szakember életét. Gyakran fordul elő, hogy amikor éppen a helyszínen tartózkodik és méréseket végez, akkor „természetesen” minden rendben van. Ilyen esetekben jól jöhet az egyes lakatfogó multimétertípusokba épített, néhány ezer férőhelyes memória, ahova programozható időközönként, automatikusan lehet a mérési értékeket beíratni. A készüléket a mérési helyen hagyhatjuk, s bizonyos idő után visszatérve, vagy a mátrix kijelzőn, vagy számítógépes kiolvasás után a monitoron visszanézhető, hogy pontosan mi és mikor történt.

Felharmonikusok és torzításmérés

Néhány lakatfogó bizonyos hálózati analizátor funkciókat is be tud tölteni. Tárolt jelalakból az opcionális szoftverrel, illetve a kijelzőn oszlopdiagram formájában meg tudják jeleníteni a felharmonikusokat, s kiszámolják a THD-t (azaz a teljes harmonikus torzítás értékét) is. Már említettük, hogy a felharmonikusok sok problémát okozhatnak, ezért értékesek e funkciók.

Teljesítmény és fogyasztás mérése

A hálózat egy részének vagy egy adott fogyasztó működésének megítéléséhez hozzátartozhat még a teljesítményének (látszólagos, hasznos és meddő) és fogyasztásának mérése. A szóba jöhető lakatfogó modellek általában 1 fázisú teljesítményt és teljesítménytényezőt is mérnek, illetve számolnak. Néhány típus ezt még megfejeli (szimmetrikus terhelésű háromfázisú hálózaton) egy 3 fázisú teljesítményméréssel. Ennek működéséhez már helyettesítő kapcsolást kell alkalmazni: a lakatfogó feszültségbemenete valamelyik két fázis közé kerül, míg az árammérést a harmadik fázison végezzük.
Nemrégiben viszont megjelent az első, energiamérést és (3 külön méréssel) aszimmetrikus 3 fázisú teljesítménymérést is lehetővé tevő lakatfogó, az MD 9235 is!

Fázissorrend-ellenőrzés

Egyes lakatfogó multiméterekbe beépítik ezt a gyakran szükséges funkciót, mely általában a feszültségkémlelő műszer kategóriában, vagy külön erre a célra szolgáló kis teszterekben található meg. A különleges megoldásnak köszönhetően az ellenőrzés kétvezetékesen végezhető el.

Szokásos multiméter funkciók

Ezekre a mérésekre (ellenállás, félvezető, frekvencia, néha kapacitás, hőmérséklet) itt nem térünk ki, megfelelnek a multiméterek hasonló funkcióinak.

Kényelmi szolgáltatások

A munkát egyes típusoknál automatikus AC/DC felismerés segíti. Mára általánossá vált az automatikus kikapcsolás funkció és a kijelző háttérvilágítása. Praktikus, ha a kijelzőn több sor van, mert akkor egyetlen pillantással, külön gombnyomás nélkül több paraméter értékét is láthatjuk. Az e tekintetben legjobb készülékek 3 vagy 4 értéket is mutatnak egyszerre. Óriási ötlet egy másodkijelző beépítése a műszer végébe! Ha kényelmetlen helyzetben, rossz szögben, fejmagasságban, vagy még feljebb kell mérést végezni, ahol a normál kijelzőre ránézni már nem tudunk, ott a műszer végébe épített másodkijelző felbecsülhetetlen segítséget ad.

Nagy ötlet: megismételt kijelzés a műszer „végén”.

A kommunikációs lehetőségek köre is bővült: ma már a Bluetooth technológiát is megtaláljuk az RS232 és USB adatátvitel mellett.

A teljesség igényével nehéz a témát feldolgozni. Az mindenképp még ide kívánkozik, hogy speciális felhasználású és ennek megfelelően különleges kivitelű lakatfogók is léteznek. Ilyenek a földelésmérő lakatfogók, ahol adó (generátor) és vevő tekercs is be van építve a lakatmechanikába, valamint az AC szivárgóáram-mérő lakatfogók, ahol speciális vasmag és tekercselés biztosítja akár a mikroamperes érzékenységet.

A leírtakból kitűnik, hogy a korszerű lakatfogó adapter és lakatfogó multiméter típusok hihetetlenül sokféle módon tudják munkánkat segíteni. Egyik-másik még az egyre inkább előtérbe kerülő hálózatminőség-ellenőrzés (felharmonikusok okozta hibák keresése) területén is tud bizonyos segítséget adni. De cikkünk végén azért meg kell jegyezni, hogy aki a hálózatminőséggel komolyabban kíván foglalkozni, az mindenképpen célműszert, azaz hálózati analizátort próbáljon beszerezni, mert pontosabb, teljes körű háromfázisú méréseket, adatgyűjtéseket csak azokkal lehet végezni.

LakatfogóMéréstechnikaMűszer